Sternengeschichten Folge 644: Formamid und der Ursprung des Lebens

Leben ohne Wasser?

Sternengeschichten Folge 644: Formamid und der Ursprung des Lebens

Wie ist das Leben auf der Erde entstanden? Das ist eine der grundlegenden Fragen der Wissenschaft beziehungsweise eine der grundlegenden Fragen überhaupt. Wir Menschen haben uns das immer schon gefragt und bevor wir die Wissenschaft hatten, um darüber nachzudenken, haben wir uns halt religiöse Schöpfungsmythen ausgedacht, um eine Antwort zu bekommen. Weil wir eine Antwort auf diese Fragen HABEN wollen, weil es eine wichtige Frage ist.

Schöpfungsmythen gibt es heute immer noch, aber es gibt mittlerweile auch die Wissenschaft und die hat bis jetzt noch keine eindeutige Antwort auf diese Frage geliefert - aber immerhin ein paar sehr spannende Hinweise. Und die haben mit Blausäure zu tun, mit radioaktivem Material und mit etwas, das "Formamid" heißt.

Aber fangen wir mal am Anfang an. Denn der ist es ja, der uns interessiert. Wir wissen mittlerweile sehr gut, wie sich das Leben NACH seiner Entstehung entwickelt hat; wie aus den allerersten Lebewesen die Vielfalt des Lebens entstanden ist, die wir heute auf der Erde beobachten. Das lässt sich mit der Theorie der Evolution sehr gut erklären. Was wir aber noch nicht erklären können ist: Wie das Leben selbst entstanden ist. Nachdem die Erde vor 4,5 Milliarden Jahren entstanden ist, war da noch kein Leben. Da waren nur jede Menge chemische Stoffe, Moleküle, Atome und so weiter, die an verschiedensten Orten in den verschiedensten Zuständen herumgelegen sind. Irgendwann muss irgendwas passiert sein, so dass komplexere Moleküle entstanden sind, die in der Lage waren, Kopien von sich selbst herzustellen, manchmal mit kleinen Fehlern, also mit Mutationen und das ist der Punkt, wo die Evolution einsetzen kann und wo wir sagen können, dass da jetzt "Leben" ist.

Aber wir wollen wissen, was passieren muss und vor allem was es braucht, damit dieser allererste Schritt passieren kann. Und was es braucht ist Wasser! Oder? Das erscheint logisch. Wir wissen, dass das Leben auf der Erde ohne Wasser nicht existieren kann. Wir Menschen und die anderen Lebewesen bestehen zu einem großen Teil aus Wasser. Wenn wir kein Wasser haben, dann sterben wir und es braucht auch Wasser, damit die diversen chemischen Vorgänge in unserem Körper ablaufen können.

Und das stimmt zwar alles - aber nicht ganz. Aber dazu kommen wir gleich. Wir wissen, aus diversen chemischen Experimenten, dass wir Nukleinsäuren und Aminosäuren brauchen, damit sich daraus Leben entwicklen kann. Und wir wissen auch, wie diese komplexen Molekülen entstehen können. Aber es hilft uns nicht, wenn auf der frühen Erde hier mal eines dieser Moleküle entsteht und dann dort mal wieder eines. Sie müssen in ausreichend hoher Konzentration entstehen und es braucht deswegen auch eine ausreichend hohe Konzentration der Chemikalien aus denen dann die komplexen Moleküle entstehen können. Oder anders gesagt: Wir brauchen einen Prozess, der dafür sorgt, dass sich diese Vorläuferstoffe ausreichend oft in ausreichend hoher Konzentration an passenden Orten auf der jungen Erde ansammeln. Das nennt sich das "Konzentrationsproblem" und es ist nicht das einzige. Das zweite Problem nennt sich "Wasser-Paradoxon".

Denn wir brauchen das Wasser zwar um zu leben und Leben braucht Wasser. Für die Bausteine des Lebens und ihre Bildung ist Wasser aber gar nicht so super. Sie können chemisch mit den Wassermolekülen reagieren und das führt dazu, dass sie zerstört werden. Diese beiden Probleme, das Konzentrationsproblem und das Wasser-Paradoxon machen es schwierig zu erklären, wie sich auf der jungen Erde ausreichend viele Bausteine des Lebens bilden konnten, so dass daraus irgendwann das Leben entsteht.

Eine Lösung könnte Formamid sein. Die chemische Formel dafür lautet CH3NO; Formamid besteht als aus Kohlensoff, Wasserstoff, Stickstoff und Sauerstoff. Der Name kommt übrigens vom lateinischen Wort für Ameise - formica - weil Formamid chemisch mit der Ameisensäure verwandt ist, die wiederum so heißt, weil das eine Säure ist, die unter anderem von Ameisen zur Verteidigung produziert und verspritzt wird. Bei normalen Bedingungen, also bei Raumtemperatur und normalen Druck ist Formamid eine farb- und geruchslose Flüssigkeit. Und diese Flüssigkeit ist sehr viel besser als Wasser geeignet, um darin und daraus die Bausteine des Lebens zu produzieren.

Das löst unser Problem aber nur bedingt, denn jetzt müssen wir uns fragen, wie auf der jungen Erde ausreichend viel Formamid in ausreichend großer Konzentration entstanden ist. Wir wissen, dass sich Formamid unter anderem aus Blausäure bilden kann. Blausäure besteht aus Wasserstoff, Stickstoff und Kohlenstoff - bis auf den Sauerstoff haben wir da schon alles, was wir für Formamid brauchen. Den Sauerstoff könnte man aus Wassermolekülen kriegen - aber es fehlt noch eine Zutat, damit die entsprechenden Reaktionen ablaufen. Wassermoleküle fallen ja nicht einfach so auseinander, wenn das so wäre, wäre das sehr blöd für uns. Es braucht Energie, damit das passiert und die muss irgendwo herkommen. Und, die könnte, so eine Vermutung, aus Radioaktivität stammen. Überall auf und in der Erde gibt es diverse radioaktive Elemente, die waren von Anfang an dabei, in dem Material aus dem unser Planet entstanden ist. Es hilft aber nichts, wenn die einfach nur so überall verstreut sind. Es muss ausreichend viel davon an einem Ort geben, damit die Strahlung stark genug ist, um Wassermoleküle aufzuspalten. Aber auch das ist möglich. Das kann einerseits durch Seifen passieren. Damit ist nicht das gemeint, mit dem wir uns die Hände waschen; in dem Fall ist das ein geologischer Fachbegriff. Das fließende Wasser in einem Fluss kann zum Beispiel Material transportieren; Sand, Gestein, und so weiter. Dieses Material kann sich dann unterwegs ablagern und unter den richtigen Bedingungen kann sich das Material dann quasi von selbst sortieren. Unterschiedliche Stoff mit unterschiedlichen Eigenschaften und Gewicht werden unterschiedlich stark und weit transportiert und am Ende wird die Materialmischung sortiert und die einzelnen Stoff konzentrtiert an einem Ort abgeladen. So etwas nennt man "Seife" und es kann durchaus auch sein, dass man dadurch Seifen mit radioaktivem Material kriegt. Also durch Ablagerung natürlich entstandenen Konzentrationen radioaktiver Materialien an unterschiedlichen Orten auf der Erde.

Es gibt aber auch noch eine zweite Möglichkeit, nämlich sogenannte "Naturreaktoren". Das sind quasi Kernkraftwerke, die natürlich entstehen. Wenn sich an einem Ort ausreichend viel Uran ansammelt, dann kann dort genau das passieren, was wir in Kernkraftwerken künstlich herstellen: Nämlich eine Kettenreaktion. Uranatome zerfallen, senden dabei Neutronen aus, die wiederrum dafür sorgen dass andere Urantome zerfallen und neue Neutronen aussenden, usw. Damit das ganze nicht zu schnell oder zu langsam passiert, sondern genau in der richtigen Geschwindigkeit, verwenden wir in Kernkraftwerken Moderatoren, also Materialien die genau die richtige Menge an Neutronen durchlassen. In einem Naturreaktor kann Wasser die Rolle eines solchen Moderators spielen und wir wissen, das es so etwas geben kann, weil wir das schon beobachtet haben. In Gabun, in Westafrika, gibt es den Naturreaktor Oklo und wir haben Spuren von sehr viel mehr solcher Naturreaktoren in der Vergangenheit entdeckt. Zu erklären, wie Oklo entstanden ist, wäre wieder eine ganz eigene Geschichte; für diese Geschichte jetzt ist es nur wichtig zu wissen, das es so etwas geben kann.

Wir haben also zwei Möglichkeiten, wie auf der frühen Erde ausreichend viel radioaktive Strahlung entstanden sein könnte, um die zur Bildung von Formamid nötigen Reaktionen auszulösen. Einerseits durch Seifen, die durch Sedimentation entstanden sind und andererseits durch Naturreaktoren. Die radioaktive Strahlung kann Wassermoleküle aufspalten und die können sich mit Blausäure zu Formamid verbinden.

Aber, wird jetzt vielleicht jemand einwenden wollen, wo kommt die Blausäure her? Die kann relativ einfach aus Acetonitril entstehen, so wie Blausäure ein Molekül aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Stickstoff. Auch das kann durch radioaktive Strahlung aufgespalten werden und wenn Wasser vorhanden ist, kann sich daraus Blausäure bilden.

Übrigens, und das ist jetzt ein kurzer Exkurs, Blausäure und Acetonitril sind keine obskuren Chemikalien, die nur in irgendwelchen Labors auftauchen. Sie sind überall im Universum zu finden. Wir haben Acetonitril in Kometen nachgewiesen und in den Wolken aus denen Sternen entstehen. Und Blausäure ist quasi überall dort, wo wir hinschauen. In diversen Kometen, in den Atmosphären von Planeten anderer Sterne, wir haben Blausäure in den Eisvulkanen des Saturnmondes Enceladus entdeckt, und so weiter. Acetonitril und Blausäure sind häufige Moleküle, die leicht entstehen und wir können davon ausgehen, dass sie auch auf der jungen Erde entstanden sind und vorhanden waren.

Der ganze Prozess könnte jetzt so aussehen: Wir haben irgendwo auf der jungen Erde Wasser. Dieses Wasser hat durch Sedimentation eine Konzentration radioaktiver Elemente abgelagert. Aus Stickstoff und Methan, die in der Atmosphäre der jungen Erde reichlich vorhanden waren, bildet sich Acetontril. Durch die radioaktive Strahlung entsteht daraus Blausäure und daraus, wieder mit Hilfe der Radioaktivität, entsteht zusammen mit Wassermolekülen das Formamid. Das sickert durch den Sedimente in dem sich die Ablagerungen befinden und wo die chemischen Reaktionen ablaufen, bis es auf Grundgestein trifft und sich dort ansammelt. Jetzt haben wir eine ausreichend große Menge an Formamid, und in dieser nicht-wässrigen Lösung können sich jetzt die Bausteine des Lebens bilden.

Natürlich ist das alles in Wahrheit sehr viel komplizierter, als ich das jetzt dargestellt habe. Und nur weil das funktionieren kann, wissen wir natürlich noch lange nicht, ob es auch so passiert ist. Aber wir wissen zumindest, dass es einen Weg GIBT, wie das Leben auf der Erde entstanden sein kann, ohne vom Wasser, das es erst später braucht, behindert zu werden. Und wenn es tatsächlich so gelaufen ist, dann hat das spannende Konsequenzen für unsere Suche nach außerirdischem Leben. Denn Blausäure und Acetonitril gibt es, wie gesagt, überall. Es gibt auch überall im Weltall radioaktive Strahlung und es gibt auch jede Menge Wasser. Nicht in flüssiger Form, aber Wassermoleküle sind im Kosmos enorm häufig. Das heißt: Leben kann vielleicht auch dort entstehen, wo wir bisher nicht dachten, das es entstehen kann.